KR100972316B1 - 수용성 스티렌, 아크릴계 수지 조성물을 이용한 무기질 탄성 도막 방수재 - Google Patents

Abstract

무기질 탄성 도막 방수재의 폴리머 성분인 아크릴 에멀션이나 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합 에멀션 수지에 대하여 본 발명의 무기질 탄성 도막 방수재용 내수성 분산제를 2~5% 혼합하여 시멘트의 분산성을 향상시켜 전체 도막의 균질한 특성이 있는 효과를 부여하고, 외부 수분에 대하여 도막의 내수성 혹은 발수성을 부여함으로써 도막이 경화가 진행되는 동안이나 경화가 진행된 후에 바탕면에 대한 도막의 접착성이나 도막의 강도를 향상시키고, 건축물의 지하와 같이 결로가 생기기 쉬운 콘크리트 구조물의 표면에서 발수 효과를 발휘하여 결로 방지 효과가 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 목적을 이루기 위한 무기질 탄성 도막 방수재용 내수성 분산제는 스티렌 100 중량부에 대하여 (메타)아크릴산 120 ~ 170 중량부, (메타)아크릴레이트를 50 ~ 70 중량부를 알코올과 물 혼합 용액에서 현탁 중합하여 얻어진 수용성 공중합 조성물을 특징으로 한다.

무기질 탄성 도막 방수재, 도막 방수재, 내수성 분산제, 발수제

Description

수용성 스티렌, 아크릴계 수지 조성물을 이용한 무기질 탄성 도막 방수재{POLYMER CEMENT WATERPROOFING AGENT BY USING WATER SOLUBLE STYRENE AND ACRYLPOLYMER}

콘크리트로 이루어진 건축물이나 저수조, 토목 구조물 등은 콘크리트의 특성상 수분에 장시간 노출될 경우, 수분의 침투에 따른 콘크리트의 중성화로 인한 물성 저하로 콘크리트 균열 및 콘크리트 강도 저하 및 균열을 통한 누수로 실내 인테리어 및 구조물의 손실, 건축물 함수량 증가에 따른 냉난방 효과의 감소 등과 같이 많은 문제점이 발생하게 된다.

따라서 여러 가지 형태의 방수재 혹은 발수재를 도포하여 수분에 노출되는 것을 방지하고 있으며, 이러한 방수재로는 우레탄 방수재, 에폭시 방수재, 무기질 탄성 도막 방수재와 같이 두가지 이상의 재료를 현장에서 혼합하여 콘크리트 표면에 시공함으로써 콘크리트 표면에 방수 도막을 형성하여 수분의 침투를 억제하는 도막형 방수재와, 실리콘 혹은 실리케이트 희석액 등을 콘크리트 표면에 도포하여 콘크리트에 흡착, 반응시켜 콘크리트 표면에 발수성을 부여함으로써 수분의 침투를 억제하는 도포형 발수재가 사용되고 있다.

상기 언급한 방수재 중에는 대한민국 특허 공개 2003-0027525호 및 2002- 0059060호 등에서 언급한 바와 같이 폴리우레탄 혹은 우레탄 프리폴리머를 용제에 혼합 희석하여 사용하는 우레탄 도막 방수재가 있으나, 우레탄 도막 방수재는 용제에 희석된 제품을 사용함에 따른 VOC 규제 및 환경오염 뿐만 아니라 작업자가 휘발성 용제에 장시간 노출됨에 따른 위험성 등의 문제가 있으며, 또한 수분 흡수성이 있는 콘크리트의 옥상 바닥과의 접착 불량에 따른 문제 등이 거론되고 있다.

대한민국 특허 공개 2002-0065566호 등에서는 수분산성 우레탄 수지를 이용한 도막 방수재의 개발이 제안되고 있으나, 우레탄 자체가 가지고 있는 내자외성 등의 문제를 해결하지 못하여 널리 사용되지 못하고 있다.

이상과 같은 우레탄 도막 방수재의 문제점을 해결하기 위하여 최근 대한민국 특허 공개 2005-0000816호에서 에틸렌비닐아세테이트 공중합 수지 에멀젼 혹은 (스티렌)아크릴레이트 공중합 수지 에멀젼의 액상 제품(A)과 시멘트, 규사 등으로 구성된 분말형 제품(B)으로 구성되어, 제품 A와 B를 0.5 : 1.0에서 1.0 : 0.5의 비율로 혼합하여 콘크리트 구조물에 도포하여 시공하는 무기질 탄성 도막 방수재를 제안하고 있다.

무기질 탄성 도막 방수재는 용제를 사용하지 않기 때문에 용제로 인한 환경 규제 및 작업성 등을 개선할 수 있을 뿐 아니라, 수분이 포함된 건축물의 표면에서 우레탄이나 아스팔트 방수재에 비하여 접착성이 양호하여 습기가 높은 건축, 토목 구조물의 내부 혹은 지하에 점차 사용량이 증가하고 있다. 또한 우레탄 도막 방수재에 비하여 여름철 시공 전후 우천에 의한 도막의 물성 저하가 적은 특징을 가지고 있다.

무기질 탄성 도막 방수재는 앞에서 언급한 것과 같이 콘크리트의 수분 함량이나 시공 기후 조건, 시공자의 숙련도 등과 같은 요인들에 영향을 적게 받기 때문에, 폭넓은 범위에서 사용되고 있으나, 시멘트를 방수 재료 중의 한가지로 사용함에 따라 시멘트의 경화, 양생 조건을 따라야 하는 문제가 발생하고 있다.

따라서 무기질 탄성 도막 방수재의 시공 후, 대략 1주일 ~ 2주일 동안의 양생 기간 동안 우천, 결로 등과 같이 많은 수분에 노출될 경우, 시공된 방수재에 포함된 에멀젼이 수분을 흡수함에 따라 시멘트 경화를 방해하거나 폴리머 수지 성분의 가수 분해를 촉진하여 방수 도막의 강도 저하, 균열, 들뜸 등의 문제가 일어나게 된다.

대한민국 특허 공개 2006-0102384 및 대한민국 특허 공개 제2001-0057550호 등에서는 실리콘 에멀젼을 무기질 탄성 도막 방수재에 혼용하여 사용하는 것을 제안하고 있다. 무기질 탄성 도막 방수재와 혼합하여 콘크리트 표면에 도포된 실리콘 에멀젼은 콘크리트 기재로 침투하여 발수성을 발휘함과 동시에 방수 도막의 소수성을 부여하여 수분에 의한 영향을 감소시키는 특징이 있지만, 실리콘 성분에 의한 발수성은 방수 도막의 자체의 강도 저하를 가져와 콘크리트 균열에 대응하여 균열이 발생하지 않는 내균열 저항성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명에서는 무기질 탄성 도막 방수재에 혼합되어 무기질 탄성 도막 방수재의 시멘트, 규사 등의 파우더 성분의 분산성을 향상시킬 뿐만 아니라, 아크릴이나 EVA가 주요 성분인 고분자를 유화 중합하는 과정에서 첨가된 유화제에 의한 흡습성을 억제하기 위하여 스티렌 100 중량부에 대하여 (메타)아크릴산 120 ~ 170 중량부, (메타)아크릴레이트 50 ~ 70 중량부로 구성된 수용성 공중합체를 합성하여 사용하도록 한다.

이와 같이 합성한 수용성 공중합체는 무기질 탄성 도막 방수재에 대하여 2 ~ 5%가 되도록 혼합하여 사용하면, 무기질 탄성 도막 방수재의 내수성을 향상시키는 동시에 시멘트 등의 입자 분산성을 향상키는 특징이 있다. 수용성 공중합체의 사용이 2% 이하가 되면 분산성의 감소는 크지 않지만, 내수성이 감소하여 무기질 탄성 도막 방수재의 경화 필름이 우천이나 결로 등의 수분에 노출되었을 때, 수분을 흡수하여 도막 강도가 떨어지는 문제가 있게 된다.

본 발명의 내수성 분산제는 무기질 탄성 도막 방수재의 시멘트의 분산성을 향상시켜 시공이 완료된 도막의 전체 시멘트 균질성을 부여함으로써 안정적인 품질을 기대할 수 있도록 하고, 무기질 탄성 도막 방수재의 양생 과정에서 외부 대기로부터 결로 혹은 강우에 의한 수분 흡수로 도막의 물성이 저하되는 것을 방지하며, 또한 도막에 발수성을 부여하여 지하 구조물과 같이 결로가 쉽게 발생하는 곳에서 결로 방지 효과를 기대할 수 있다.

무기질 탄성 도막 방수재의 시멘트 분산은 현장에서 시공자의 교반기에 의한 교반 및 롤러나 붓으로 시공하는 과정에서 발생하는 물리적 분산과, 아크릴 혹은 EVA 에멀젼의 합성 과정에서 혼합되는 유화제에 의한 화학적 분산이 있지만, 모두 충분한 분산 효과를 부여하지 못하기 때문에 넓은 시공 면적에서 일정한 시멘트 분산성을 기대할 수 없게 된다. 이것을 해결하기 위하여 추가로 유화제를 첨가하고 있지만, 이러한 유화제의 첨가는 오히려 무기질 탄성 도막 방수재가 경화된 후에 도막 표면에서 외부 수분을 흡착하는 특성을 가속화하게 되어, 무기질 탄성 도막 방수재의 습윤 강도를 저하시키게 된다.

그러나 본 발명의 내수성 분산제를 무기질 탄성 도막 방수재에 혼합하여 사용하면 시멘트 입자의 분산성을 향상시켜 넓은 시공 면적에 대하여 일정한 도막 특성을 발휘하도록 하는 특성이 있다.

앞에서 언급한 바와 같이 무기질 탄성 도막 방수재는 에멀젼 성분에 혼합된 유화제 혹은 추가로 혼입된 유화제에 의하여 시멘트 경화가 종결된 무기질 탄성 도막 방수층이 수분을 흡수하는 습윤성을 가지게 된다. 외부로 부터의 우천이나 결로 등과 같은 수분에 노출된 무기질 탄성 도막 방수층에서는 시멘트 백화 현상과 유사한 시멘트 물성 저하로 무기질 탄성 도막 방수층의 강도 저하가 발생하게 된다.

본 발명의 내수성 분산제는 무기질 탄성 도막 방수층의 내부에 소수성을 부여하여 사이즈 효과(sizing effect)에 따른 방수층의 습윤 강도 저하를 억제하는 특징이 있다.

무기질 탄성 도막 방수재는 습기가 많은 콘크리트 구조물의 바탕면에 대한 접착성이 양호한 특징으로 건축물의 지하 내벽 방수로 많이 사용되고 있으나, 친수 성인 무기질 탄성 도막 방수층의 표면은 공기 중의 수분을 쉽게 흡착하게 된다. 따라서 건축물 지하와 같이 결로가 발생하기 쉬운 조건에서는 방수층 표면에 생긴 결로로 인한 내부 인테리어 등의 손상과 같이 누수와 유사한 피해를 입히게 된다. 그러나 본 발명의 내수성 분산제가 혼용된 무기질 탄성 도막 방수재는 방수 도막층 표면에 소수성을 부여하여 결로의 생성을 방지하는 효과를 기대할 수 있다.

건축물 옥상에서의 비노출 방수 현장이나 건축물, 토목 구조물의 지하 내벽 방수 현장과 같이 지속적인 수분에 방수층이 장시간 노출이 될 경우, 콘크리트와의 흡착으로 강한 알칼리성 수분이 발생한다. 알칼리성 수분은 도막 방수층 속의 아크릴 에멀젼과 반응하여 산성 물질을 발생하는 것으로 보인다. 이들 산성 물질은 경화된 시멘트 분해를 촉진시켜 무기질 탄성 도막 방수층의 균열이나 분해가 발생한다. 또한 방수층 하부 콘크리트 구조체의 중성화를 야기하여 문제를 일으킬 수 있다.

그러나 본 발명의 내수성 분산제는 에멀젼 성분의 표면에도 흡착하여 알칼리성 수분이 에멀젼 입자와 접촉하는 것을 방지하여 에멀젼 분해를 방지함으로써 방수층이 지속적인 방수 성능을 발휘할 수 있고, 산성 물질의 발생을 제한하여 시멘트 중성화를 억제하는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 내수성 분산제는 방수층을 구성하는 시멘트 결정이나 에멀젼 입자의 표면에 흡착하기 때문에 방수층 자체의 물리적인 물성에는 변화가 없음을 확인하였다. 오히려 방수층 내부 기공 표면에 흡착된 본 발명의 내수성 분산제로 인하여 수분의 흡착을 방해하여 통기성을 다소 향상시키는 것으로 나타났다. 방수층 내 부 수분 함량 감소는 도막층 자체의 인장성능을 향상시키는 것에도 도움이 되는 것으로 보인다.

본 발명의 내수성 분산제는 스티렌, 아크릴계의 삼성분계 공중합 수지로서 시멘트, 규사, 아크릴 혹은 EVA 에멀젼을 주성분으로 하는 무기질 탄성 도막 방수재에 2~5% 중량비로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 내수성 분산제는 스티렌계 단량체와 아크릴레이트계 단량체, 아크릴산계 단량체의 혼합 비율, 반응 온도, 반응 시간, 촉매의 종류 및 주입 시간, 중합 용매로 사용되는 물 및 알코올의 종류 및 혼합 비율에 따라 최종 얻어진 공중합체의 발수성 혹은 내수성 정도에 차이가 크기 때문에 세심한 주의를 필요로 한다.

공중합에 사용되는 스티렌 단량체의 사용량은 전체 단량체 함량에 대하여 30~40 중량%를 사용하도록 한다. 스티렌 단량체의 함량이 많을수록 얻어진 중합체의 발수성은 좋아지지만, 물에 대한 수용성이 감소하여 수용성 공중합체를 얻을 수 없으며, 반대로 30 중량% 이하로 사용하면 수용성이 증가하여 수용성 공중합체를 얻을 수 있으나 도막 방수층의 발수성이 발현되지 않게 된다.

메타 아크릴레이트 단량체로는 에틸 아크릴레이트, 부틸 메타 아크릴레이트를 사용할 수 있으며, 사용량은 전체 단량체 함량에 대하여 15~25 중량%를 사용하도록 한다. 스티렌 단량체와 마찬가지로 메타 아크릴레이트 단량체는 사용량이 25 중량%를 넘으면 중합체의 발수성도 향상되고 도막 방수층 내부의 입자와의 결합력도 향상되지만 물에 대한 수용성이 감소하여 투명한 수용성 공중합체를 얻을 수 없으며, 15 중량%이하를 사용하게 되면 시메트 입자의 분산성을 감소시켜 균질한 도막 방수층을 얻기 힘들어 진다.

(메타)아크릴산 단량체로는 아크릴산, 메타아크릴산을 사용할 수 있으며, 사용량은 전체 단량체 함량에 대하여 35~45 중량%를 사용하도록 한다. (메타)아크릴산 단량체의 사용량이 45 중량%를 넘으면 얻어진 중합체의 수용성은 향상되고, 무기질 탄성 도막 방수재와 혼합하여 시멘트 성분의 분산성은 다소 향상될 수 있지만, 내수성이나 발수성이 급격히 감소하는 것으로 나타났다.

상기 단량체를 각각 물과 알코올의 혼합 용액과 섞어서 중합 반응을 진행하도록 하며, 사용되는 알코올은 반응 용매로서의 역할을 잘 수행할 수 있도록 상기 단량체와의 용해성이 좋고, 추후 반응이 종료된 후에 회수가 가능한 3차 이하의 알코올, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, 부탄올 중 1종류 이상의 알코올을 선택하여 물과 혼합하거나, 혹은 알코올 단독으로 사용할 수 있다. 물과 알코올 이 혼합된 반응용매의 사용량은 사용하는 단량체의 함량이나 혼합 비율에 따라 조금씩 변할 수 있으며, 좋게는 전체 단량체 대비 100~300%를 사용하는 것이 좋다.

반응에 사용하는 촉매로는 과황산암모늄, 과황산칼륨, 과산화수소, 과벤조산 등을 사용할 수 있으며, 사용량은 전체 단량체 함량에 대하여 5% 이하 좋게는 2~4%를 사용하는 것이 좋다.

반응은 환류기가 설치된 반응기에서 상기 단량체와 반응 용매를 혼합하여 사용할 수도 있으며, 필요에 따라 단량체의 일부 혹은 전체를 반응이 진행되는 동안 적하 주입하여 중합할 수도 있다. 촉매 또한 별도의 용기에 동일한 반응 용매를 이용하여 충분히 분산, 용해시킨 후에 중합 전반에 걸쳐 일정한 속도로 적하하여 중합 반응을 진행하도록 한다. 반응온도는 대략 70~80도가 좋으며, 반응용매로 사용된 알코올의 증류온도에서 환류와 동시에 중합 반응을 진행하는 것도 좋다.

중합 반응이 종료된 고분자 용액은 실온으로 냉각시켜 수산화 암모늄을 사용하여 중화 하도록 한다. 중화가 종료된 수성 공중합 수지액은 필요에 따라 용액 중의 알코올 성분을 회수하지 않을 수도 있으나, 잔존 알코올은 추후 무기질 탄성 도막 방수재에 사용되어 내수성을 저하시키는 요인이 되므로 회수하도록 한다. 알코올은 증류 장치 등을 이용하여 회수하고, 수산화 암모늄을 pH 8~12가 되도록 조절하고, 고형분의 농도가 10~30%가 되도록 물을 첨가하여 조절한다.

이상의 방법으로 얻어진 고분자 수용액을 본 발명의 내수성 분산제로서 사용 하도록 하며, 시중의 폴리머 혼입 시멘트 방수재 중의 폴리머 수지 제품에 5~10% 첨가하여 사용할 수도 있고, 별도 제품으로 현장에서 전체 무기질 탄성 도막 방수재에 대하여 2~5% 중량비가 되도록 혼합하여 사용하면, 무기질 탄성 도막 방수재의 방수 성능을 변화시키지 않으면서, 내수성 및 발수성을 향상시킬 수 있다.

다음의 실시예에서 얻어진 내수성 분산제를 일반 무기질 탄성 도막 방수재에 첨가하여 습윤 조건에서 강도 변화를 비교하고, 14일의 양생이 종료된 시편에 대하여 KS F 4919 시멘트 혼입 폴리머계 방수재의 평가 방법을 따라 비교하였다.

내수성 분산제의 합성

실시예 1

500mL 4구 플라스크에 교반기, 환류가 가능한 냉각기, 온도계를 설치하고, 증류수 40g과 이소프로필알코올 160g을 주입하여 서서히 교반한다. 여기에 스티렌 단량체 30g, 에틸 메타 아크릴레이트 20g, 아크릴산 50g을 서서히 주입하여 완전히 혼합되도록 교반한다. 반응기 내부 용액이 투명해지면 교반을 유지하면서 승온하여 이소프로필 알코올의 증류 온도인 80도까지 가열한다. 별도 용기에 촉매인 과황산암모늄 3g을 20g의 물에 녹인 후에, 반응기 내부 요액이 80도가 유지되는지를 확인하고 촉매를 서서히 3시간에 걸쳐서 주입한다. 촉매의 주입이 끝나면 반응기 내부 용액을 계속 교반하면서 80도에서 2시간동안 유지시킨다.

반응이 종료된 후에 반응기 내부 용액의 온도를 실온으로 냉각시키고 25% 암모니아 수용액 30g을 서서히 주입하고, 다시 80도 이상으로 승온하여 알코올을 회수한다. 알코올의 회수가 끝난 반응기 내부 용액은 다시 실온으로 냉각하여 25% 암 모니아 수용액 30g을 주입한 후에, 물을 주입하여 고형분을 20%로 조정하고 동일한 25% 암모니아 수용액으로 pH가 8~10이 되도록 조정한다.

실시예 2

이상의 실시예 1에서와 동일한 물과 이소프로필 알코올 혼합 용매 200g을 준비하여, 그 중에서 100g을 반응용기에 주입하고 나머지 100g은 실시예 1에서와 동일한 단량체 혼합물과 혼합하여 별도 용기에 준비한다. 반응기 내부의 온도를 80도 이상으로 승온한 후에 실시예 1의 촉매와 준비된 단량체 용액을 3시간에 걸쳐서 주입한다. 다음이 과정은 동일한 방법을 사용하여 고분자 중합체 수용액을 제조한다.

실시예 3

스티렌 단량체 50g, 에틸 메타 아크릴레이트 20g, 메타 아크릴산 80g이 혼합된 단량체 혼합액을 제조하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로 고분자 중합체 수용액을 제조하였다.

무기질 도막 방수재의 제조

액상 제품 A는 초산비닐수지 공중합체 99중량부에 소포제 1중량부를 혼합하였으며, 분말상 제품 B는 알루미나 시멘트 25중량부, 6호 규사 75중량부를 혼합하여 준비하여, A제품과 B제품을 9:7의 비율로 혼합하여 사용하였다. 이와 같이 제조된 무기질 도막 방수재에 대하여 상기 실시예에서 얻어진 내수성 분산제를 각각 3%, 5% 첨가하여 양생 조건에 따른 강도 변화 및 물성을 평가하였다. 양생 조건은 표준양생조건 온도 20±2℃, 습도 65±10% 조건에서 양생하였으며, 습윤양생조건으로 동일한 온도에서 3시간에 10분씩 양생 도막 표면으로 물이 분사되도록 하여 여 름철 우천 시와 유사한 환경을 조성하였다. 이와 같은 조건에서 양생 기간에 따른 인장 강도를 측정한 결과는 다음과 같다

No.	내수성분산제	첨가량	양생조건	양생일 인장강도 (N/㎟)
				1일	2일	3일	7일	14일
1	실시예1	3%	표준양생조건	0.52	0.77	0.89	0.99	1.20
2	실시예1	3%	습윤양생조건	0.48	0.69	0.86	0.92	0.99
3	실시예1	5%	습윤양생조건	0.50	0.73	0.89	1.02	1.06
4	실시예2	3%	표준양생조건	0.60	0.77	0.98	1.01	1.21
5	실시예2	3%	습윤양생조건	0.59	0.72	0.92	0.99	1.10
6	실시예2	5%	습윤양생조건	0.59	0.76	0.95	1.02	1.19
7	실시예3	3%	표준양생조건	0.48	0.71	0.82	0.92	1.06
8	실시예3	3%	습윤양생조건	0.42	0.58	0.62	0.68	0.74
9	실시예3	5%	습윤양생조건	0.40	0.52	0.59	0.63	0.68
10	-	-	표준양생조건	0.54	0.75	0.93	1.07	1.12
11	-	-	습윤양생조건	0.32	0.43	0.48	0.50	0.61

양생 기간 중에 우천이나 결로와 같은 습윤 조건에 노출되었을 경우에, 혹은 양생 후에도 장시간 수분에 노출될 경우 수분에 의한 인장 강도 저하로 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 내수성 분산제를 첨가한 결과 습윤 양생 조건에서의 인장강도가 표준 양생 조건에서의 인장강도와 유사하거나 크게 차이나지 않는 것을 확인하였다.

Claims (2)

1. 증류수 40 중량부와 이소프로필알코올 160 중량부가 혼합된 용매를 80에서 스티렌 단량체 30 중량부, 아크릴산 단량체 50 중량부, 에틸 메타 아크릴레이트 단량체 20 중량부의 비율로 공중합하여 수산화암모늄으로 pH가 8~12가 되도록 중화하여 얻어진 무기질 탄성 도막 방수재 용도의 내수성 분산제.
2. 증류수 40 중량부와 이소프로필알코올 160 중량부가 혼합된 용매를 80에서 스티렌 단량체 50 중량부, 메타아크릴산 단량체 80 중량부, 에틸 메타 아크릴레이트 단량체 20 중량부의 비율로 공중합하여 수산화암모늄으로 pH가 8~12가 되도록 중화하여 얻어진 무기질 탄성 도막 방수재 용도의 내수성 분산제.